但凡提及航空業(yè)的未來，都免不了說到電動(dòng)飛機(jī)。這種節(jié)能環(huán)保的電動(dòng)飛機(jī)無疑是空中出租車，在摩天大樓之間穿梭，如同客機(jī)沉穩(wěn)地穿越大洋。畢竟希望出行便捷的現(xiàn)代人們并不青睞化石燃料。

       但航空航天公司和新興企業(yè)炒作出來的關(guān)于電動(dòng)飛機(jī)的種種概念，都是不切實(shí)際的。飛行所需要的能量巨大，而如果真的利用電動(dòng)驅(qū)動(dòng)，那電池技術(shù)得有個(gè)極大的飛躍。要不然就像航空專家理查德·阿布拉菲亞(Richard Aboulafia)在審查相關(guān)空中飛車項(xiàng)目時(shí)說的話“干脆期待奇跡吧。”

       電池技術(shù)

       所以說，電動(dòng)飛機(jī)的關(guān)鍵問題是電池。現(xiàn)有電池技術(shù)無法匹配能源—重量比，成本巨大，而且也維持不了多久時(shí)間。特斯拉推出的Model S電動(dòng)車能運(yùn)行535千米，雪佛蘭旗下的Bolt純電動(dòng)車能跑300多千米。但這里用到的電動(dòng)電池技術(shù)都不足以支撐最小的飛機(jī)飛起來。

       既然專家都無奈表示“干脆期待奇跡吧”。那究竟是什么樣的奇跡才能拯救電動(dòng)飛機(jī)呢？有生之年能不能看到呢？

      前面提及的兩大電動(dòng)車至少給了我們點(diǎn)希望。盡管要花費(fèi)六位數(shù)美元，但特斯拉的Model S小轎車一次充電可行進(jìn)535千米。而雪佛蘭的Bolt EV小型汽車則售價(jià)3萬(wàn)美元，能跑383千米。今夏，特斯拉將進(jìn)一步提升電池電動(dòng)車性能。同時(shí)，訓(xùn)練用的一座或兩座無氣飛機(jī)也很有可能進(jìn)行起飛實(shí)驗(yàn)。而不必冒險(xiǎn)在飛機(jī)場(chǎng)間進(jìn)行嘗試。

      安柏瑞德航空大學(xué)的飛行研究中心的負(fù)責(zé)人理查德·帕特·安德森(Richard Pat Anderson)就說道“關(guān)注電動(dòng)汽車的人，同樣關(guān)注電動(dòng)飛機(jī)。但這兩者需求不同。電動(dòng)汽車的電池價(jià)格應(yīng)當(dāng)?shù)土鼙蝗藗兘邮埽姵匾矐?yīng)當(dāng)小巧便捷。但對(duì)飛機(jī)而言，電池是大是小就不那么重要，也不太介意成本，但關(guān)鍵是重量。”

       臨界密度

      需要降低飛機(jī)重量，但又不能以犧牲尺寸或功率為代價(jià)，能量密度就成了最大的問題。目前為止，電動(dòng)電池的比能(指單位質(zhì)量/體積的器件可提供的能量)是液體燃料的2%。

      盡管電動(dòng)電池與噴氣燃料有著高達(dá)14倍的差異。但實(shí)際上電動(dòng)電池一直在不斷進(jìn)步。雖然進(jìn)步微小，但電池的比能以每年2%-3%的比例提升。每一次重復(fù)中，特斯拉都有進(jìn)步。

       另外實(shí)際上，電動(dòng)電池也不需要和液體燃料比單位重量的能量。如果當(dāng)前的電流密度能夠提升至五倍，那就達(dá)到1000瓦·小時(shí)/千克。美國(guó)能源部阿貢重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的交通研究中心的主任唐(參配、圖片、詢價(jià)) ·希勒布蘭德(Don Hillebrand)認(rèn)為這就足以支持一架小型的商業(yè)飛行器。而且他估計(jì)到2045年就能達(dá)到這一目標(biāo)了。 

       1000瓦特·時(shí)/千克的能量大約是汽油能量密度的三分之一，但這就夠了。目前電池的創(chuàng)新穩(wěn)定前進(jìn)，電能傳遞效率也在提升，那么就有理由期待有朝一日能看到電動(dòng)飛機(jī)在空中翱翔。

       造型設(shè)計(jì)改進(jìn)

       除此以外，還有多種捷徑。電動(dòng)飛機(jī)的發(fā)展也在改變飛機(jī)設(shè)計(jì)理念。未來的電動(dòng)飛機(jī)肯定不是現(xiàn)在飛機(jī)的樣子。由于分布式電機(jī)和阻力減少，未來可能僅利用400 瓦特·時(shí)/千克的能源效率就能飛行。工程師們也會(huì)重新設(shè)計(jì)飛行器以適應(yīng)電機(jī)。但需要指出的是，電動(dòng)飛行器的進(jìn)展十年磨一劍，在1000 瓦特·時(shí)/千克的電池未問世之前。電動(dòng)飛機(jī)也不會(huì)出現(xiàn)。

       固態(tài)鋰電池VS空氣鋰電池

      電動(dòng)飛機(jī)的發(fā)展得指望著電池技術(shù)，電池技術(shù)得要達(dá)到1000 瓦特·時(shí)/千克。那么，怎么做到呢？最可能的方法是推翻當(dāng)前的新寵——鋰空氣電池。鋰電池具有強(qiáng)能量密度，但是該技術(shù)太不成熟了，還需要幾十年才能真正的商業(yè)應(yīng)用。而固態(tài)鋰電池也是個(gè)不錯(cuò)的選擇，因?yàn)樗灰兹迹菦]法循環(huán)利用。也就是說固態(tài)鋰電池每次充電和用盡都在耗損壽命。

      而研究人員減少“無圈曲線”的進(jìn)展，促使某些專家將目光轉(zhuǎn)向其他形式的金屬鋰電池。無圈曲線會(huì)在電池反復(fù)充電和放電過程中形成，可能會(huì)導(dǎo)致短路，從而引起火災(zāi)。阿貢國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的電池專家文卡特·斯里尼瓦桑(Venkat Srinivasan)這樣預(yù)測(cè)道“五年之后，該技術(shù)一定會(huì)有大的進(jìn)展。五年前我沒這么樂觀，但現(xiàn)在我非常相信鋰—金屬電池能夠派上用場(chǎng)。”

      一旦鋰—金屬電池的問題被解決，其他材料如氧和硫也就迎刃而解了。

      鋰—氧氣電池困難最大，但卡耐基梅隆大學(xué)的Viswanathan和同事認(rèn)為鋰—氧電池是電動(dòng)航空的最佳選擇。Viswanathan稱“鋰空氣電池，顧名思義。這個(gè)電池能夠達(dá)到400 瓦·小時(shí)/千克的能量，能夠飛行300到482千米，雖然不能夠讓人穿越海洋，但是足夠好幾個(gè)短途來回了。”

      該電池的關(guān)鍵是氧氣溶解在電池陽(yáng)極和陰極的電解液中，能夠維持充電和放電環(huán)境下電解液的穩(wěn)定。除此以外，在放電過程中加進(jìn)系統(tǒng)的氧氣，在充電過程中會(huì)被回收再利用。而且目前許多飛行器上都配有了這種電池所需要的純氧，利用起來很方便。

      但理論和實(shí)際應(yīng)用之間隔著鴻溝。該電池需要冷卻，需要固定在一個(gè)盒子里，這些都拖了體重和體積的后腿。科學(xué)家們需要進(jìn)一步改善和規(guī)模化。但還需要一段時(shí)間。

      共同合作

      但難題不僅僅是技術(shù)上的。電池技術(shù)研發(fā)小組分布在秘而不宣的公司企業(yè)和稍微公開點(diǎn)的各大高校。但各個(gè)研發(fā)小組之間并無合作。與更為開放的半導(dǎo)體業(yè)相比，電池技術(shù)產(chǎn)業(yè)之間缺乏社區(qū)努力。他們應(yīng)當(dāng)向半導(dǎo)體的產(chǎn)業(yè)生態(tài)學(xué)習(xí)。正在創(chuàng)新的科學(xué)家們也應(yīng)當(dāng)緊密聯(lián)系起來。由市場(chǎng)引導(dǎo)，才能更快地發(fā)展。

      電氣化不僅僅用于汽車，也用于飛機(jī)。各種各樣的技術(shù)會(huì)在某一個(gè)點(diǎn)上交匯貫通。自動(dòng)駕駛技術(shù)，電動(dòng)車，無人機(jī)技術(shù)和電動(dòng)航空，這些技術(shù)彼此支持，共同發(fā)展的速度可能會(huì)超人意料。

      那就靜等2045年會(huì)發(fā)生什么吧！